变频器10周年(yingfeng)课件

变频器及其相关技术在轨道交通中的应用介绍北京交通大学电气工程学院郑琼林教授张立伟博士后2008.01.121变频器及其相关技术在轨道交通中的应用介绍北京交通大学电气工程变频器及其相关技术在轨道交通中的应用介绍北京交通大学电气工程庞巴迪TRAXX机车---“蓝箭”机车西门子Eurosprinter机车--HXD1机车阿尔斯通Prima机车---HXD2机车1重载及动力集中机车庞巴迪Regina---CRH1川琦重工E2-1000---CRH2西门子VelaroE---CRH3阿尔斯通SM3---CRH52电动车组3机车车辆电力电子装置动向及应用2庞巴迪TRAXX机车---“蓝箭”机车1重载及动力集庞巴迪TRAXX机车---“蓝箭”机车1重载及动力集1.1庞巴迪TRAXX机车---我国“蓝箭”机车庞巴迪公司在德铁BR185型机车的基础上，开发了所TRAXX多流制机车平台，其中的BR185.2型机车和SBBCargo的Re484型机车是首批TRAXX机车。表1TRAXX机车分类表瑞士——意大利跨境货运的主力机车Re484(TRAXXF140MS)1重载及动力集中机车31.1庞巴迪TRAXX机车---我国“蓝箭”机车1.1庞巴迪TRAXX机车---我国“蓝箭”机车4444庞巴迪MITRACTC3000系列牵引变流器是为电力机车和内燃电传动机车专门研制的，该系列牵引变流器可以满足各类机车的重载和高速旅客列车牵引工况。MITRACTC3000系列牵引变流器覆盖了各种牵引制式，可以满足多流制系统以及各种驱动拓扑应用（如轴控、架控和车控应用），目前MITRACTC3000系列已经在德国BR185多流制电力机车、奥地利Re484多流制电力机车、西班牙AVE102高速电力机车（速度可达350km/h）得到了广泛应用。MITRACTC3000系列牵引变流器主要包括以下三种子系列：MITRACTC3100---水冷/油冷4.5kVGTO变流器；MITRACTC3200---水冷4.5kVIPM变流器；MITRACTC3300---水冷6.5kVIGBT变流器；5庞巴迪MITRACTC3000系列牵引变庞巴迪MITRACTC3000系列牵引变MITRACTC3200-及其电路拓扑图（应用场合为西班牙Talgo高速列车，25kV/50Hz，输出功率2.25MW，该设备集成了300kVA的辅助变流器，设备总重2600kg（含设备盖），外型尺寸为3m×1.94m×1.05mm）6MITRACTC3200-及其电路拓扑图（应用场合为西班MITRACTC3200-及其电路拓扑图（应用场合为西班4.5kV/1.5kA功率等级IPM外型图，其中①插入式接头②栅极驱动和保护单元③集成式水冷散热器连接器相模块的三种不同结构，其中Ⅰ为中功率单相结构，Ⅱ为中功率两相结构，Ⅲ为大功率单相结构74.5kV/1.5kA功率等级IPM外型图，其中相模块的4.5kV/1.5kA功率等级IPM外型图，其中相模块的1.2西门子Eurosprinter机车---我国HXD1机车上世纪90年代初，西门子公司在S252机车和LE5600机车可靠设计的基础上，并且为适应欧洲铁路运输空前发展的需要，联合KraussMaffei公司（克劳斯.马菲公司）双方的制造优势，于1992年自主开发和制造了EuroSprinter原型车——127型001号多用途机车，该车最大功率6400kW。该样车采用了模块化结构，易于适应欧洲各主要国家铁路的各种要求和条件。表2EuroSprinter机车分类表81.2西门子Eurosprinter机车---我国HXD11.2西门子Eurosprinter机车---我国HXD1HXD1Vs189机车株洲电力机车有限公司HXD1机车189机车在交流网压和DC3kV网压下，机车功率可达到6400kW；在DC1.5kV网压下可达到4200kW。第二代EuroSprinter机车—BR189，四流制DC1.5kV，DC3kV，AC25kV和AC15kVHXD1机车为8轴大功率机车，在AC25kV，50Hz网压下，机车功率可达到9600kW，为我国大秦铁路重载专用机车之一。9HXD1Vs189机车株洲电力机车有限公司HXD1HXD1Vs189机车株洲电力机车有限公司HXD1BR189主牵引变流器电路拓扑结构图HXD1主牵引变流器电路拓扑结构图中间直流电路由中间电压支撑电容、二次滤波LC谐振电路、硬短路保护电路和接地保护电路组成。二次滤波电路由二次滤波电抗器L和二次滤波电容器C组成谐振电路，谐振频率为100Hz。谐振电抗器置于主变压器中，谐振电容器置于主变流器柜中。10BR189主牵引变流器电路拓扑结构图HXD1主牵引变流器电BR189主牵引变流器电路拓扑结构图HXD1主牵引变流器电Eurosprinter机车通用设备布置图11Eurosprinter机车通用设备布置图11Eurosprinter机车通用设备布置图11EurosprBR189主牵引变流器实物图HXD1主牵引变流器电路实物图12BR189主牵引变流器实物图HXD1主牵引变流器电路实物图BR189主牵引变流器实物图HXD1主牵引变流器电路实物图BR1896500VIGBT模块（SIBACBBSP-3000WL）190mmx140mm和130mmx140mm，水冷模块。13BR1896500VIGBT模块（SIBACBBBR1896500VIGBT模块（SIBACBBPhaseModuleSP-1500WLAuxiliaryModuleST-1500WL-MP14PhaseModuleSP-1500WLAuxiliaPhaseModuleSP-1500WLAuxilia相模块在机车中的位置IGBT相模块正负母排连接IGBT相模块水冷接线柱15相模块在机车中的位置IGBT相模块正负母排连接IGBT相模块相模块在机车中的位置IGBT相模块正负母排连接IGBT相模块CrowBarModuleBBCBD-1500H16CrowBarModuleBBCBD-1500H16CrowBarModuleBBCBD-1500H16辅助电气系统结构图17辅助电气系统结构图17辅助电气系统结构图17辅助电气系统结构图17油、水冷却系统18油、水冷却系统18油、水冷却系统18油、水冷却系统181.3阿尔斯通Prima机车---我国HXD2机车表3Prima机车分类表阿尔斯通公司于2000年12月起开发成功Prima家族第一种机车。Prima是利用所谓“平台”(Plattformen)概念设计开发的一个机车系族。这种系族机车采用了全新的设计原理。在这个机车系族中，既有电力机车，也有内燃机车。家族中各种机车的设计和制造，在尽可能高的程度上实现了标准化、系列化、通用化和模块化，是世界上最先进的、成熟的交流传动电力机车之一。在欧洲、中东等地区得以广泛的应用。

191.3阿尔斯通Prima机车---我国HXD2机车表31.3阿尔斯通Prima机车---我国HXD2机车表3大同电力机车有限公司HXD2机车HXD2机车为8轴大功率机车，在AC25kV，50Hz网压下，机车功率可达到10000kW，为我国大秦铁路重载专用机车之一。法国ALSTOMPrima37000货运机车（三流制）BoBo

最大速度140km/h

车轮输出功率4.2MW20大同电力机车有限公司HXD2机车HXD2机大同电力机车有限公司HXD2机车HXD2机21212121BB27000、HXD2主牵引变流器电路实物图PRIMA机车一个转向架用牵引变流器柜实物图，牵引变流器柜包含了机车一个转向架上的两个传动支路以及两个冷却系统。ONIX传动系统则是其中1个传动支路系统的组合名称。为抑制2次谐波，每一传动支路上有1台2F滤波器连接在输入变流器的输出端上。每一水冷回路有1台循环泵、1个强迫风冷空气冷却器和3个并联的Palix模块。22BB27000、HXD2主牵引变流器电路实物图PRBB27000、HXD2主牵引变流器电路实物图PRONIX系统的电路原理图23ONIX系统的电路原理图23ONIX系统的电路原理图23ONIX系统的电路原理图23ONIX系统由Palix模块、滤波电容器、汇流母线及其控制和调节元件组成，其中Palix模块是由固定在一起的几个IGBT模块集合而成的插入式模块，冷却方式为乙二醇液冷。在ONIX系统中，Palix模块主要构成了：①三相输出逆变器用Palix模块（6个IGBT模块）；②输入四象限变流器一侧用的Palix模块（在2：2并联布置中的4个IGBT模块）；③输入四象限变流器另一侧用的Palix模块（在2：2并联布置的4个IGBT模块）；④电阻制动用制动调节器（1个IGBT模块，与1个二极管模块相连接）。24ONIX系统由Palix模块、滤波电容器、汇ONIX系统由Palix模块、滤波电容器、汇主变流器冷却系统示意图25主变流器冷却系统示意图25主变流器冷却系统示意图25主变流器冷却系统示意图25辅助电气系统结构图26辅助电气系统结构图26辅助电气系统结构图26辅助电气系统结构图261.4网络化控制在机车上的应用HXD1基于TCN网络和SIBAS的控制系统结构图271.4网络化控制在机车上的应用HXD1基于TCN网络和SI1.4网络化控制在机车上的应用HXD1基于TCN网络和SIHXD2WorldFIP网络结构示意图28HXD2WorldFIP网络结构示意图28HXD2WorldFIP网络结构示意图28HXD2Wo庞巴迪Regina---青岛BSPCRH1川琦重工E2-1000---青岛四方厂CRH2西门子VelaroE---唐山机车厂CRH3（未下线）阿尔斯通SM3---长春客车厂CRH52电动车组29庞巴迪Regina---青岛BSP庞巴迪Regina---青岛BSPCRH1适用于短途运输，速度等级为200-220公里，动车组将主要用于城际间的短途运输，配属根据使用情况确定，可以在最低-40℃的环境下使用。CRH1动车组动力配置：2（2M+1T）+（1M+1T）车种，每一动车转向架为两动轴设计，可两编组连挂运行。2.1CRH1电动车组30CRH1适用于短途运输，速度等级为200-220公里，动车组CRH1适用于短途运输，速度等级为200-220公里，动车组动车底部吊挂带受电弓拖车底部吊挂31动车底部吊挂带受电弓拖车底部吊挂31动车底部吊挂带受电弓拖车底部吊挂31动车底部吊挂带受电弓拖车

CRH2动车组是由两个动力单元组成的4动4拖动力分散型电动车组，可两编组连挂运行，每一动车转向架为两动轴设计；适用于短途与中长途运输，速度等级为200公里。动车组主要置于北京、郑州、济南、上海、南昌铁路局和广铁集团公司范围内，CRH2不适合在东北高寒地区使用。2.2CRH2电动车组32CRH2动车组是由两个动力单元组成的4动4拖动力分散型电动CRH2动车组是由两个动力单元组成的4动4拖动力分散型电动每辆车下有空调机组、制动控制装置。在2、3、6和7号车下有牵引变流器，在2号和6号车下有牵引变压器。在单号车下有污物箱及水箱。6号车设备示意图33每辆车下有空调机组、制动控制装置。在2、3、6和7号车下有牵每辆车下有空调机组、制动控制装置。在2、3、6和7号车下有牵CRH5适用于短途与中长途运输，速度等级为200公里，最高可提升至250公里，是针对高寒地区所设计的，可以在最低-40℃的环境下使用，主要置于北京、沈阳和哈尔滨铁路局范围内，用于京哈线。CRH5动车组由8辆车组成，其中5辆动车3辆拖车，可两编组连挂运行动力配置：2（2M+1T）+（1M+1T）车种，每一动车转向架只包含一个动轴。2.3CRH5电动车组34CRH5适用于短途与中长途运输，速度等级为200公里，最高可CRH5适用于短途与中长途运输，速度等级为200公里，最高可牵引变压器牵引和辅助变流器牵引电机制动模块空气压缩机水箱污物箱蓄电池箱充电机空气弹簧辅助风缸CRH5车下悬吊设备35CRH5车下悬吊设备35CRH5车下悬吊设备35CRH5车下悬吊设备35动车车下设备布置图拖车车下设备布置图36动车车下设备布置图拖车车下设备布置图36动车车下设备布置图拖车车下设备布置图36动车车下设备布置图拖高压两点式变流器设计主电路小型轻量化设计变流装置大容量设计高频变压器-变流器设计内燃机车混合动力系统3机车车辆电力电子装置动向及应用37高压两点式变流器设计3机车车辆电力电子装置动向及应用37高压两点式变流器设计3机车车辆电力电子装置动向及应用37383838381.8MWe—变压器拓扑图391.8MWe—变压器拓扑图391.8MWe—变压器拓扑图391.8MWe—变压器拓扑图内燃机车混合动力系统结构失意图3.2内燃机车混合动力系统40内燃机车混合动力系统结构失意图3.2内燃机车混合动力系统4内燃机车混合动力系统结构失意图3.2内燃机车混合动力系统4通用电气公司制造熔盐电池，电池中含有大量的氯化钠，能够通过更大的电流。由20块这种电池构成的系统能在不到1秒钟的时间内发出1500千瓦功率。通用电气公司混合动力机车41通用电气公司制造熔盐电池，电池中含有大量的氯化钠，能够通过更通用电气公司制造熔盐电池，电池中含有大量的氯化钠，能够通过更表5东芝公司各种辅助电源方式的比较3.3辅助电源方式42表5东芝公司各种辅助电源方式的比较3.3辅助电源方式4表5东芝公司各种辅助电源方式的比较3.3辅助电源方式4END！43END！43END！43END！43变频器及其相关技术在轨道交通中的应用介绍北京交通大学电气工程学院郑琼林教授张立伟博士后2008.01.1244变频器及其相关技术在轨道交通中的应用介绍北京交通大学电气工程变频器及其相关技术在轨道交通中的应用介绍北京交通大学电气工程庞巴迪TRAXX机车---“蓝箭”机车西门子Eurosprinter机车--HXD1机车阿尔斯通Prima机车---HXD2机车1重载及动力集中机车庞巴迪Regina---CRH1川琦重工E2-1000---CRH2西门子VelaroE---CRH3阿尔斯通SM3---CRH52电动车组3机车车辆电力电子装置动向及应用45庞巴迪TRAXX机车---“蓝箭”机车1重载及动力集庞巴迪TRAXX机车---“蓝箭”机车1重载及动力集1.1庞巴迪TRAXX机车---我国“蓝箭”机车庞巴迪公司在德铁BR185型机车的基础上，开发了所TRAXX多流制机车平台，其中的BR185.2型机车和SBBCargo的Re484型机车是首批TRAXX机车。表1TRAXX机车分类表瑞士——意大利跨境货运的主力机车Re484(TRAXXF140MS)1重载及动力集中机车461.1庞巴迪TRAXX机车---我国“蓝箭”机车1.1庞巴迪TRAXX机车---我国“蓝箭”机车474474庞巴迪MITRACTC3000系列牵引变流器是为电力机车和内燃电传动机车专门研制的，该系列牵引变流器可以满足各类机车的重载和高速旅客列车牵引工况。MITRACTC3000系列牵引变流器覆盖了各种牵引制式，可以满足多流制系统以及各种驱动拓扑应用（如轴控、架控和车控应用），目前MITRACTC3000系列已经在德国BR185多流制电力机车、奥地利Re484多流制电力机车、西班牙AVE102高速电力机车（速度可达350km/h）得到了广泛应用。MITRACTC3000系列牵引变流器主要包括以下三种子系列：MITRACTC3100---水冷/油冷4.5kVGTO变流器；MITRACTC3200---水冷4.5kVIPM变流器；MITRACTC3300---水冷6.5kVIGBT变流器；48庞巴迪MITRACTC3000系列牵引变庞巴迪MITRACTC3000系列牵引变MITRACTC3200-及其电路拓扑图（应用场合为西班牙Talgo高速列车，25kV/50Hz，输出功率2.25MW，该设备集成了300kVA的辅助变流器，设备总重2600kg（含设备盖），外型尺寸为3m×1.94m×1.05mm）49MITRACTC3200-及其电路拓扑图（应用场合为西班MITRACTC3200-及其电路拓扑图（应用场合为西班4.5kV/1.5kA功率等级IPM外型图，其中①插入式接头②栅极驱动和保护单元③集成式水冷散热器连接器相模块的三种不同结构，其中Ⅰ为中功率单相结构，Ⅱ为中功率两相结构，Ⅲ为大功率单相结构504.5kV/1.5kA功率等级IPM外型图，其中相模块的4.5kV/1.5kA功率等级IPM外型图，其中相模块的1.2西门子Eurosprinter机车---我国HXD1机车上世纪90年代初，西门子公司在S252机车和LE5600机车可靠设计的基础上，并且为适应欧洲铁路运输空前发展的需要，联合KraussMaffei公司（克劳斯.马菲公司）双方的制造优势，于1992年自主开发和制造了EuroSprinter原型车——127型001号多用途机车，该车最大功率6400kW。该样车采用了模块化结构，易于适应欧洲各主要国家铁路的各种要求和条件。表2EuroSprinter机车分类表511.2西门子Eurosprinter机车---我国HXD11.2西门子Eurosprinter机车---我国HXD1HXD1Vs189机车株洲电力机车有限公司HXD1机车189机车在交流网压和DC3kV网压下，机车功率可达到6400kW；在DC1.5kV网压下可达到4200kW。第二代EuroSprinter机车—BR189，四流制DC1.5kV，DC3kV，AC25kV和AC15kVHXD1机车为8轴大功率机车，在AC25kV，50Hz网压下，机车功率可达到9600kW，为我国大秦铁路重载专用机车之一。52HXD1Vs189机车株洲电力机车有限公司HXD1HXD1Vs189机车株洲电力机车有限公司HXD1BR189主牵引变流器电路拓扑结构图HXD1主牵引变流器电路拓扑结构图中间直流电路由中间电压支撑电容、二次滤波LC谐振电路、硬短路保护电路和接地保护电路组成。二次滤波电路由二次滤波电抗器L和二次滤波电容器C组成谐振电路，谐振频率为100Hz。谐振电抗器置于主变压器中，谐振电容器置于主变流器柜中。53BR189主牵引变流器电路拓扑结构图HXD1主牵引变流器电BR189主牵引变流器电路拓扑结构图HXD1主牵引变流器电Eurosprinter机车通用设备布置图54Eurosprinter机车通用设备布置图11Eurosprinter机车通用设备布置图54EurosprBR189主牵引变流器实物图HXD1主牵引变流器电路实物图55BR189主牵引变流器实物图HXD1主牵引变流器电路实物图BR189主牵引变流器实物图HXD1主牵引变流器电路实物图BR1896500VIGBT模块（SIBACBBSP-3000WL）190mmx140mm和130mmx140mm，水冷模块。56BR1896500VIGBT模块（SIBACBBBR1896500VIGBT模块（SIBACBBPhaseModuleSP-1500WLAuxiliaryModuleST-1500WL-MP57PhaseModuleSP-1500WLAuxiliaPhaseModuleSP-1500WLAuxilia相模块在机车中的位置IGBT相模块正负母排连接IGBT相模块水冷接线柱58相模块在机车中的位置IGBT相模块正负母排连接IGBT相模块相模块在机车中的位置IGBT相模块正负母排连接IGBT相模块CrowBarModuleBBCBD-1500H59CrowBarModuleBBCBD-1500H16CrowBarModuleBBCBD-1500H59辅助电气系统结构图60辅助电气系统结构图17辅助电气系统结构图60辅助电气系统结构图17油、水冷却系统61油、水冷却系统18油、水冷却系统61油、水冷却系统181.3阿尔斯通Prima机车---我国HXD2机车表3Prima机车分类表阿尔斯通公司于2000年12月起开发成功Prima家族第一种机车。Prima是利用所谓“平台”(Plattformen)概念设计开发的一个机车系族。这种系族机车采用了全新的设计原理。在这个机车系族中，既有电力机车，也有内燃机车。家族中各种机车的设计和制造，在尽可能高的程度上实现了标准化、系列化、通用化和模块化，是世界上最先进的、成熟的交流传动电力机车之一。在欧洲、中东等地区得以广泛的应用。

621.3阿尔斯通Prima机车---我国HXD2机车表31.3阿尔斯通Prima机车---我国HXD2机车表3大同电力机车有限公司HXD2机车HXD2机车为8轴大功率机车，在AC25kV，50Hz网压下，机车功率可达到10000kW，为我国大秦铁路重载专用机车之一。法国ALSTOMPrima37000货运机车（三流制）BoBo

最大速度140km/h

车轮输出功率4.2MW63大同电力机车有限公司HXD2机车HXD2机大同电力机车有限公司HXD2机车HXD2机64216421BB27000、HXD2主牵引变流器电路实物图PRIMA机车一个转向架用牵引变流器柜实物图，牵引变流器柜包含了机车一个转向架上的两个传动支路以及两个冷却系统。ONIX传动系统则是其中1个传动支路系统的组合名称。为抑制2次谐波，每一传动支路上有1台2F滤波器连接在输入变流器的输出端上。每一水冷回路有1台循环泵、1个强迫风冷空气冷却器和3个并联的Palix模块。65BB27000、HXD2主牵引变流器电路实物图PRBB27000、HXD2主牵引变流器电路实物图PRONIX系统的电路原理图66ONIX系统的电路原理图23ONIX系统的电路原理图66ONIX系统的电路原理图23ONIX系统由Palix模块、滤波电容器、汇流母线及其控制和调节元件组成，其中Palix模块是由固定在一起的几个IGBT模块集合而成的插入式模块，冷却方式为乙二醇液冷。在ONIX系统中，Palix模块主要构成了：①三相输出逆变器用Palix模块（6个IGBT模块）；②输入四象限变流器一侧用的Palix模块（在2：2并联布置中的4个IGBT模块）；③输入四象限变流器另一侧用的Palix模块（在2：2并联布置的4个IGBT模块）；④电阻制动用制动调节器（1个IGBT模块，与1个二极管模块相连接）。67ONIX系统由Palix模块、滤波电容器、汇ONIX系统由Palix模块、滤波电容器、汇主变流器冷却系统示意图68主变流器冷却系统示意图25主变流器冷却系统示意图68主变流器冷却系统示意图25辅助电气系统结构图69辅助电气系统结构图26辅助电气系统结构图69辅助电气系统结构图261.4网络化控制在机车上的应用HXD1基于TCN网络和SIBAS的控制系统结构图701.4网络化控制在机车上的应用HXD1基于TCN网络和SI1.4网络化控制在机车上的应用HXD1基于TCN网络和SIHXD2WorldFIP网络结构示意图71HXD2WorldFIP网络结构示意图28HXD2WorldFIP网络结构示意图71HXD2Wo庞巴迪Regina---青岛BSPCRH1川琦重工E2-1000---青岛四方厂CRH2西门子VelaroE---唐山机车厂CRH3（未下线）阿尔斯通SM3---长春客车厂CRH52电动车组72庞巴迪Regina---青岛BSP庞巴迪Regina---青岛BSPCRH1适用于短途运输，速度等级为200-220公里，动车组将主要用于城际间的短途运输，配属根据使用情况确定，可以在最低-40℃的环境下使用。CRH1动车组动力配置：2（2M+1T）+（1M+1T）车种，每一动车转向架为两动轴设计，可两编组连挂运行。2.1CRH1电动车组73CRH1适用于短途运输，速度等级为200-220公里，动车组CRH1适用于短途运输，速度等级为200-220公里，动车组动车底部吊挂带受电弓拖车底部吊挂74动车底部吊挂带受电弓拖车底部吊挂31动车底部吊挂带受电弓拖车底部吊挂74动车底部吊挂带受电弓拖车

CRH2动车组是由两个动力单元组成的4动4拖动力分散型电动车组，可两编组连挂运行，每一动车转向架为两动轴设计；适用于短途与中长途运输，速度等级为200公里。动车组主要置于北京、郑州、济南、